## STUDI EMISI SPEKTRA PADA SINTESIS PEMBAKARAN METAL ALUMINIUM DALAM PLASMA-UDARA
Imam Sholahuddin 1* , Andi Sanata 1
1 Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Jember, Jl. Kalimantan 37 Jember 68121
* Email: imam.teknik@unej.ac.id

## ABSTRACT
Research on emission spectra of metal combustion at temperatures above the boiling point of Al has been successfully  carried  out.  This  method  can  be  used  as  a  qualitative  characterization  of  the  presence  of elements  or  compounds  involved  in  the  combustion  process.  Recording  of  emission  spectra  data  was carried  out  during  the  process  of  burning  Al  powder  with  oxygen  O  in  an  air  plasma  flame  at atmospheric  pressure.  The  burning  characteristic  of  Al  was  detected  at  the  peak  intensity  of  the wavelength λ Al = 396 nm, and the reaction products of AlO with the peak intensity of the wavelength λ AlO were 471, 489 and 512 nm, respectively. The absolute temperature of the plasma flame black body was 5660 K based on the highest peak intensity λ AlO = 512 nm. The increase in emission intensity was quite significant when Al was started to be injected at 1.25 seconds, followed by an unstable plasma form. The steady state of the plasma flame indicates a full reaction in the vapor phase of AlO (g) in the form of Al sub-oxide  and  alumina  before  condensing  on  the  outer  surface  area  of  the  plasma.  High  temperature thermal  plasma-air  can  increase  the  homogeneity  of  the  atomization  process  of  particles  into  gaseous vapor which is an important initiation where nanoscale AlO particles begin to form.
Keywords: combustion synthesis, thermal plasma-air, Al, AlO, emission spectra.

## PENDAHULUAN
Pembakaran  serbuk  metal  banyak  digunakan sebagai  energi booster untuk  sistem  propulsi  dan sintesis  material  [1-4].  Sintesis  pembakaran  metal dengan  media  udara  atau  oksigen  juga  menghasilkan serbuk metal-oksida berukuran sangat kecil dalam skala nano  dengan  kemurnian  tinggi,  dan  ini  merupakan metode  yang  cukup  menjanjikan.  Reaksi  eksoterm metal  aluminium  (Al)  dengan  oksigen  (O)  di  udara menambah  akselerasi  pembakaran  dan  jumlah  panas sistem.  Pada  kondisi  ini  skenario  pecahnya  cairan droplet dalam  temperatur  tinggi  akan  meningkatkan jumlah  uap  gas  yang  terjadi  secara  berulang  selama  di dalam  api  plasma.  Uap  gas  dan  debu  elektron  plasma terbentuk  dalam  zona  terbakarnya  produk  metal, memancarkan  emisi  elektron  saat  pembakaran di  udara dalam  tekanan  atmosfir.  Temperatur  plasma  tersebut biasanya  sangat  tinggi  di  atas  3500  K  dan  sistem dianggap  isothermal.  Fase  kondensasi  dan  koagulasi akan  mempertahankan  dimensi  produk  pembakaran metal oksida dalam skala nanometer.
Untuk  dapat  menghasilkan  serbuk  AlO  dalam skala  nano  harus  melibatkan  temperatur  yang  sangat tinggi  di  atas  titik  didih  Al.  Mendefinisikan  proses dinamis  sintesa  pembakaran  metal  oksida  secara internal  pada  fase  plasma  umumnya  sulit  untuk dilakukan.  Hal  ini  disebabkan  proses thermal kimia- fisika  yang  cukup  komplek  selama  terjadinya  reaksi  di dalam  plasma.  Namun  besarnya  energi  reaksi  yang terjadi  selama  proses  pembakaran  dalam  fase  plasma menghasilkan  emisi  spektra  dengan  tingkat  visibilitas tinggi  memberikan  kemudahan  untuk  kajian  atau
pengamatan  proses  pembakaran.  Emisi  spektra pembakaran dapat diukur menggunakan spectrometer untuk  mengamati  transisi  reaksi pembakaran  dan  pembentukan  produk  pembakaran berupa  unsur  atau  senyawa  melalui  intensitas puncak  kuat  dari  panjang  gelombang  emisi  yang dihasilkan. Pada pembakaran Al dengan udara akan menghasilkan  produk  AlO  yang  melepaskan  emisi spektrum  dengan  puncak  intensitas  sangat  kuat antara  396  nm  –  512  nm.  Penelitian  emisi  spektra pembakaran  Al  dan  proses  oksidasi  di  udara atmosfir  banyak  dilakukan  pada  rentang  temperatur cair  hingga  titik  didih  AlO  [5-9].  Hingga  saat  ini masih  sulit  ditemui  laporan  penelitian  yang melibatkan  temparatur  di  atasnya  khususnya  pada temperatur  api  plasma.  Emisi  spektra  api  plasma memiliki intensitas yang cukup kuat bila dibandingkan  degan  pembakaran  di  atas  yang umumnya  menggunakan  bahan  bakar  hidrokarbon. Hal ini menjadi tantangan untuk diteliti. Berikut ini akan  dilaporkan  hasil  kajian  emisi  spektra  proses pembakaran serbuk metal Al di udara atmosfer pada temperatur tinggi api plasma.

## METODOLOGI PENELITIAN
Kajian  emisi  spektra  dilakukan  melalui perekaman  data  emisi  selama  proses  eksperimen pembakaran  serbuk  Al  di  dalam  api  plasma  udara pada tekanan atmosfir (Gambar 1). Dimulai dengan proses  memasukkan  serbuk  aluminium berukuran  < 150  μm  ke  dalam  saluran  nosel  anoda-katoda pembangkit plasma yang dibawa oleh aliran udara 5
L/min  diinjeksikan  selama 2,5  detik  setelah  api  plasma dinyalakan  selama  1,25  detik.  Sedangkan  aliran  udara plasma  sendiri  diatur  sebesar  26  L/min.  Energi pembangkit api plasma disuplai oleh listrik arus searah 1,9 kW dengan arus konstan 20 A.
Gambar 1. Skema aliran udara dan injeksi serbuk Al ke dalam saluran anoda-katoda plasma dan pengambilan data emisi spektra dengan spectrometer
Gambar 2. Perekaman data spektra selama proses pembakaran Al dengan perangkat lunak Theremino Spectrometer V 2.8
Secara teknis, emisi spektra dari nyala api plasma diamati  melalui  jendela  kaca  berdiameter  3cm,  dengan jarak  kamera  40  cm,  menggunakan  kamera  CMOS dengan  filter  grating  1300  garis/mm,  dan  perangkat lunak Theremino Spectrometer V.2.8 resolusi 1280x960/6fps (lihat Gambar 2). Pada waktu yang sama diambil  juga  gambar  nyala  api  plasma  (lihat  Gambar 4a-c).  Perangkat spectrometer sebelum  digunakan dilakukan  kalibrasi  terhadap  laser  pointer  dengan panjang  gelombang λ  =  636,87  ±  0,14  nm .  Gambar emisi  spektra  hasil  pembacaan  (seperti  contohnya Gmabar  3)  kemudian  diolah  menggunakan  perangkat lunak  SpectraGryph  1.2.  Intensitas  emisi  spektra  dapat sedikit  berbeda  pada  setiap  pengambilan  data,  kecuali posisi  susunan  puncak  panjang  gelombang λ Al dan λ AlO adalah  tetap.  Sehingga  dari  4  kali  pengambilan  data,
yang ditampilkan pada laporan ini adalah data emisi dengan  intensitas  dan  diferensiasi  puncak  tertinggi dari  panjang  gelombang λ Al dan λ AlO .  Temperatur puncak  api  plasma  selama  proses  pembakaran  Al dihitung berdasarkan persamaan Wien [10]. Panjang gelombang  cahaya  tertinggi λ max =  b  /  T ,  yaitu perhitungan  antara  temperatur  absolut black  body (K) dari  emisi  spektra  pembakaran  dan  konstanta pergeseran Wien b= 2,897779 mm.K .

## HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Penelitian
Keberadaan  molekul  atomik  yang  terlibat selama  reaksi  pembakaran  akan  memberikan  sinyal cahaya dengan rentang panjang gelombang tertentu. Proses  pembakaran  serbuk  Al  di  dalam  api  plasma udara  menimbulkan  reaksi  pembakaran  yang ditandai  dengan  perubahan  intensitas  cahaya  api terhadap waktu.
Gambar 3. Emisi spektra dari sintesis pembakaran Al ( λ Al ) dengan O dan produk pembakaran berupa
AlO ( λ AlO )
Gambar 4. Bagian atas adalah profil api: a. plasma udara, b. waktu awal injeksi Al setelah 1,25 detik (laju aliran serbuk belum stabil), c. laju aliran injeksi
Al stabil selama 2,5 detik. Grafik perubahan intensitas emisi spektra terhadap waktu untuk panjang gelombang λ = 512,1 nm selama proses pembakaran Al berlangsung
a. b. c. CMOS spectrometer plasma reactor
Karakteristik  unsur  atau  senyawa  yang  terlibat selama pembakaran Al di udara dapat dipahami melalui perubahan  intensitas  pancaran  emisi  spektra  yang dijelaskan sebagai berikut.
1. Karakteristik terbakarnya Al terdeteksi berada pada intensitas puncak λ = 396 nm (Gambar 3).
2. Terbentuknya  produk  sintesis  AlO  ditunjukkan dengan  ciri  khas  susunan  intensitas  puncak  λ AlO masing-masing 471, 489 dan 512 nm.
3. Berdasarkan  persamaan Wien temperatur  absolut black  body api  plasma  sebesar  5660  K,  yang berasal dari intensitas puncak tertinggi yaitu λ AlO = 512 nm.
4. Sebelum  serbuk  Al  diinjeksikan,  zona  inti  api plasma terlihat berwarna putih dan zona permukaan berwarna kekuningan (Gambar 4 a).
5. Kenaikan  intensitas  emisi  cukup  signifikan  ketika Al  mulai  diinjeksikan  pada  1,25  detik.  Bentuk  api plasma  tidak  stabil  dan  muncul  berkas  cahaya warna  oranye  yang  juga  merupakan  produk kondensat  AlO (g) dari  terbakarnya  serbuk  Al (Gambar 4 b).
6. Penurunan  secara  perlahan  intensitas  emisi  diikuti dengan  mulai  stabilnya  bentuk  api  plasma.  Hal  ini menandakan  terjadinya  dominasi  proses  reaksi penuh  pada  fasa  uap  AlO (g) berupa  Al  sub-oksida dan alumina sebelum terkondensasi diarea permukaan luar api plasma.

## Pembahasan
Reaksi  eksoterm  antara  Al  dengan  oksigen  O dalam  udara  menghasilkan  produk  AlO  dengan melepaskan  emisi  energi  yang  cukup  besar,  ditandai dengan  emisi  spektra  dari  pancaran  cahaya  api  plasma berupa susunan intensitas puncak tertinggi dari panjang gelombang λ Al dan λ AlO .  Gas  atomik  Al  netral membentuk  AlO  melalui  proses  reaksi  rekombinasi dengan molukel O 2 dan atomik O mengikuti persamaan Al (g) +  O 2 =  AlO  +  O,  dan  Al (g) +  O  +  M  =  AlO  +  M. Formasi  terbentuknya  gas  AlO (g) terjadi  di  atas temperatur  didih  AlO  >  3250  K.  Temperatur  tinggi 5660  K  semakin  meningkatkan  atomisasi  atau homogenitas  fasa  gas.  Pita  emisi  utama  untuk  sistem AlO (g) terjadi  pada  λ  =  486  nm,  sedangkan  untuk  Al berada pada λ = 396 nm [7].
Dari beberapa rangkuman laporan emisi spektrum dari pembakaran Al terdapat sedikit perbedaan nilai λ Al dan λ AlO (lihat Tabel 1).
Tabel  1.  Data  perbandingan  pembacaan  λ  (nm)  emisi spektra pembakaran Al dan AlO.
T peak (K)
λ Al-1 λ Al-2 λ AlO-1 λ AlO-2 λ AlO-3 Ref. 2790 - 396,1 - 484,2 510,2 [8] 1000 - 395,5 471,1 486,3 511,9 [5] 2083 394 396,2 - 484 - [6] 3995 - - - 486 - [7] 5660 - 396 471 489 512 Eksp.
Beberapa  faktor  yang  mempengaruhi  seperti ukuran  partikel  Al,  laju  aliran,  temperatur  pemantik, kadar  oksigen,  dan  temperatur  lingkungan.  Faktor tersebut dapat mempengaruhi lemah atau kuatnya emisi
spektrum yang dihasilkan saat pembakaran Al. Hasil penelitian  yang  telah  dilakukan  cukup  mendekati nilai emisinya dengan penelitian Zhou, dkk. [5]. Proses  mulainya  reaksi  pembakaran  Al  dapat diamati  melalui  peningkatan  intensitas  emisi terhadap waktu. Kenaikan emisi diawal pembakaran disebabkan  jumlah  partikel  Al  yang  terbakar  cukup besar saat masuk pertama kali kedalam zona inti api plasma  udara  sebelum  laju  aliran  serbuk  mencapai kestabilan.  Laju  aliran  serbuk  yang  terlalu  cepat akan  mengurangi  tingkat  penguapan  dan  reaksi lengkap  dari  partikel  Al,  sehingga  sebagian  residu AlO  hanya  pada  permukaan  droplet  berupa cangkang  sedangkan  bagian  dalam  ( core )  masih dominan  Al  cair.  Warna  kekuningan  menunjukkan keadaan  reaksi  oksidasi  Al  yang  tidak  lengkap sepenuhnya. Pada keadaan setimbang difusi oksigen O semakin meningkat disekitar zona permukaan api plasma.  Di  daerah  ini  AlO (g) terlihat  sangat  jelas ditandai  dengan  emisi  spektrum  cahaya  berwarna kebiruan  menandakan  reaksi  oksidasi  lengkap terhadap  atom  Al.  Hal  ini  menandakan  adanya korelasi  yang  cukup  kuat  antara  transisi  profil  api plasma  dari  warna  putih  kekuningan  sebelum pembakaran  terhadap  perubahan  nilai  intensitas panjang gelombang λ AlO .

## KESIMPULAN
Penelitian  emisi  spektra  pembakaran  Al  telah berhasil  mendifinisikan  proses  pembakaran  Al diatas  temperatur  titik  didihnya  didalam  api  plasma udara. Pembakaran Al diudara menghasilkan produk residu AlO yang dapat diamati proses pembentukannya.  Hasil  pengukuran  emisi  spketra ini  sejalan  dengan  beberapa  penelitian  lainnya. Intensitas tertinggi pada puncak panjang gelombang λ AlO =  512  nm  menunjukkan  keberadaan  uap  gas AlO(g) terbentuk dominan pada temperatur 5660 K, dimana  temperatur  tinggi  akan  meningkatkan homogenitas atomisasi partikel menjadi uap gas dan menjadi  inisiasi  penting  dimana  skala  nano  partikel AlO  mulai  terbentuk.  Metode  pengukuran  emisi spektra  dari  nyala  api  dapat  digunakan  sebagai karakterisasi  kualitatif  terhadap  keberadaan  unsur atau  senyawa  yang  terlibat  dalam  berbagai  macam proses pembakaran.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Zolotko,  A.  N.,  N.  I.  Poletaev,  and  Y.  I. Vovchuk,  2015,  Gas-disperse  synthesis  of metal  oxide  particles, Combustion,  Explosion, and Shock Waves, Vol. 51 (2), pp. 252-268.
[2]  Ohkura,  Y.,  P.  M.  Rao,  and  X.  Zheng,  2011, Flash ignition of Al nanoparticles: Mechanism and applications, Combustion and Flame, Vol. 158 (12), pp. 2544-2548.
[3]  Sundaram,  D.  S.,  V.  Yang,  and  V.  E.  Zarko, 2015, Combustion of nano aluminum particles (Review), Combustion,  Explosion,  and  Shock Waves, Vol. 51 (2), pp. 173-196.
[4]  Rochman,  H.  A.,  A.  G.  Dirgantara,  I. Sholahuddin,  S.  Junus,  and  A.  Z.  Muttaqin, 2017,  Pengaruh  Laju  Prekursor  Serbuk
Aluminium terhadap Bentuk Morfologi
Nanopartikel  Alumina  dengan  Metode  Thermal Plasma, Jurnal ROTOR, Vol. 10 (1), pp. 17-19.
[5]  Zhou,  Y.  n.,  J.  Liu,  D.  Liang,  W.  Shi,  W.  Yang, and  J.  Zhou,  2017,  Effect  of  particle  size  and oxygen  content  on  ignition  and  combustion  of aluminum particles, Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 30 (6), pp. 1835-1843.
[6]  Lynch,  P.,  G.  Fiore,  H.  Krier,  and  N.  Glumac, 2010,  Gas-Phase  Reaction  in  Nanoaluminum Combustion, Combustion Science and Technology, Vol. 182 (7), pp. 842-857.
[7]  Lomba,  R. et  al. ,  2016,  Comparison  of Combustion  Characteristics  of  Magnesium  and Aluminum  Powders, Combustion  Science  and Technology, Vol. 188 (11-12), pp. 1857-1877.
[8]  Feng, Y., Z. Xia, L. Huang, and X. Yan, 2016, Experimental  investigation  on  the  combustion characteristics  of  aluminum  in  air, Acta Astronautica, Vol. 129 pp. 1-7.
[9]  Zhou,  Y. et  al. ,  2017,  Experimental  Study  on Dynamic Combustion Characteristics of Aluminum  Particles, Propellants,  Explosives, Pyrotechnics, Vol. 42 (8), pp. 982-992.
[10]  Saparullah, A. Purwanto, R. I. Wisnuwijaya, E. K.  Sari,  and  W.  S.  B.  Dwandaru,  2020,  Non- contact  temperature  measurement  based  on Wien’s  displacement  law  using  a  single webcam  in  the  infrared  spectrum  region,
Physics Education, Vol. 55 (2), pp. 025017.